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원자력(硏), 방사선 조사 기술 이용 리튬 2차전지 전지막 개발 최윤정 |
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노트북, 휴대폰, 하이브리드 자동차 등에 광범위하게 사용되는 리튬 2차전지의 안전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 전지막(seperator)을 국내 연구진이 방사선 기술을 이용해서 개발해냈다.
한국원자력연구원(원장 양명승) 정읍방사선과학연구소 노영창 박사팀은 교육과학기술부 원자력연구개발사업의 일환으로 현재 상용 리튬 2차전지 전지막 소재로 사용되는 폴리에틸렌에 나노 알루미나를 혼합해서 다공성 막을 제조한 뒤, 막 표면에 불소계 수지/ 나노 입자/ 가교제 혼합용액을 코팅해서 기공 구조의 고체 상태로 바꾼 후, 방사선의 일종인 전자선을 조사함으로써 전지막의 전기화학적 특성과 내열성을 획기적으로 향상시키는 데 성공했다.
새로 개발한 전지막은 리튬 2차전지의 온도가 비정상적으로 상승할 경우에도 수축이 거의 일어나지 않고 원 상태를 유지, 화재와 폭발 등 사고를 방지할 수 있다.
리튬 2차전지는 양극(LiCoO2 등), 음극(흑연 등)과 두 극 사이를 나누는 전지막(분리막 또는 격막)으로 구성돼 있는데, 전지막은 전지의 효율과 안전성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 전지막은 양극에서 발생한 리튬 이온이 음극으로 이동할 수 있도록 보통 다공성 폴리에틸렌 막으로 제조하는데, 단락(쇼트)이 발생해서 갑작스럽게 높은 전류가 흐르거나 외부 온도가 높아져 비정상적으로 전지 온도가 상승하면 전지막이 연화돼 다공성 기공의 구멍이 막혀 이온이 통과할 수 없는 절연막 역할을 한다.
그러나 폴리에틸렌의 용융점을 넘는 고열이 발생하면 전지막이 수축되거나 파단(breakdown)돼 발화와 폭발이 일어날 위험이 있다.
노영창 박사팀은 기존의 폴리에틸렌 소재에 나노 무기입자인 알루미나와 기공 형성제를 혼합한 뒤 늘려 펴서 다공성 막을 제조한 뒤, 막 표면에 불소계 수지인 PVDF-HFP와 나노 알루미나, 가교제를 혼합한 용액을 코팅한 후, 코팅 층을 기공 구조의 고체 상태로 변화시킨 뒤, 전자선 조사를 통해 전지막의 내열성과 기계적 물성을 획기적으로 향상시키는 기술을 개발하는 데 성공했다.
비교 실험 결과 기존의 폴리에틸렌계 전지막을 150 ℃의 전해액에 2분간 담가두면 원래 크기의 5~15 % 크기로 대폭 수축돼 기능을 상실하는 반면, 노 박사 팀이 개발한 전지막은 같은 조건에서 원래 크기의 96~98 %를 유지하는 것으로 나타났다.
리튬 2차전지는 에너지 밀도가 높아서 전기, 전자, 통신 및 컴퓨터 산업 분야에 광범위하게 사용되고 있으며, 휴대용 전자기기용 소형 리튬 2차전지에 이어 하이브리드 자동차나 전기 자동차 용 등 고용량 리튬 2차전지 등으로 적용 분야가 확대됨에 따라 수요가 빠르게 증가하고 있다.
우리나라는 전세계 리튬 2차전지 분리막의 30 %를 소비하는 대규모 시장으로, 2010년까지 리튬 2차전지 분리막 국내 시장은 3,500억 원, 세계 시장은 약 1조 원에 달할 것으로 전망된다. 그러나 리튬 2차전지는 주로 액체 리튬 전해질을 사용하기 때문에 전해액의 누액 가능성과 폭발 위험성을 안고 있어, 전지막의 열적 안전성(내열성)과 기계적 물성, 전기화학적 특성 개선이 요구되어 왔다.
노영창 한국원자력연구원 정읍방사선과학연구소 방사선공업환경연구부장은 "새로 개발한 전지막을 이용해서 리튬 2차전지 시제품을 제조, 반복 충전한 결과 전기화학적 특성도 기존 전지막을 사용한 제품보다 우수한 것으로 나타났다."고 밝혔다. 한국원자력연구원은 관련 국내 특허 2건을 출원했으며, 과련 기업에 기술 이전을 추진할 계획이라고 밝혔다.
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